DE69618605T2

DE69618605T2 - ELECTRIC SWITCH

Info

Publication number: DE69618605T2
Application number: DE69618605T
Authority: DE
Inventors: Hugh Duffy
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: ATE212147T1; KR19990044604A; EP0850486A1; DE69618605D1; US5737160A; CN1158686C; JPH11512557A; KR100459357B1; CN1202268A; WO1997010609A1; EP0850486B1

Abstract

An electrical switch arrangement, comprising a first mechanical switch, a second mechanical switch and a PTC device, with (a) the PTC device and second switch connected in parallel and the parallel combination connected in series with the first switch, or (b) the PTC device and first switch connected in series and the series combination connected in parallel with the second switch. The arrangement can interrupt a current and voltage higher than the rated currents and voltages of each of the switches and the PTC devices. The parallel switch can be rated to interrupt the rated interrupt current of the electrical switch arrangement at a voltage below the rated voltage of the electrical switch arrangement, and the series switch can be rated to interrupt a current below the rated interrupt current of the electrical switch arrangement at the rated voltage of the electrical switch arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er aus US-A-3249810 bekannt ist. Mechanische Schalter werden in großem Umfang eingesetzt, um den Stromfluß in elektrischen Schaltungen zu steuern. Der hier verwendete Begriff "mechanischer Schalter" soll einen elektrischen Schalter bezeichnen, der mechanische Kontakte aufweist, die in Abhängigkeit von einer mechanischen (einschließlich manuellen), elektrischen, thermischen oder anderen Form von Betätigung öffnen oder schließen. Solche Einrichtungen umfassen einfache manuelle Schalter, Leistungsschalter, Erdschlußunterbrecher, Relais und Bimetalleinrichtungen (die auch als elektrothermische Relais, thermisch betätigte Schalter und elektrothermische Einrichtungen bezeichnet werden).The invention relates to an electrical switch according to the preamble of claim 1, as known from US-A-3249810. Mechanical switches are widely used to control the flow of current in electrical circuits. As used herein, the term "mechanical switch" is intended to mean an electrical switch having mechanical contacts that open or close in response to a mechanical (including manual), electrical, thermal or other form of actuation. Such devices include simple manual switches, circuit breakers, earth leakage interrupters, relays and bimetallic devices (also referred to as electrothermal relays, thermally actuated switches and electrothermal devices).

Wenn ein mechanischer Schalter betätigt wird, um den durch ihn fließenden Strom zu unterbrechen, tritt fast immer eine Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktstücken auf, wenn sie sich trennen, und zwar auch unter Normalbetriebsbedingungen, und Strom (in Form eines Lichtbogens) fließt weiter durch den Schalter, bis der Lichtbogen gelöscht wird. Der Lichtbogen beschädigt die Kontaktstücke in einem Ausmaß, das abhängig ist von dem Strom, der Spannung, davon, ob der Strom Wechsel- oder Gleichstrom ist, der Geschwindigkeit, mit der die Kontaktstücke getrennt werden, und dem Material, aus dem die Kontaktstücke hergestellt sind. Ein mechanischer Schalter ist gewöhnlich nach dem maximalen Strom bewertet, den er mit Sicherheit bei einer gegebenen Wechsel- oder Gleichspannung und für eine gegebene Anzahl von Betätigungen unterbrechen kann. Die Kosten, die Größe und die Komplexität eines Schalters steigen mit zunehmender Nennleistung des Schalters steil an.When a mechanical switch is operated to interrupt the current flowing through it, arcing almost always occurs between the contacts when they separate, even under normal operating conditions, and current (in the form of an arc) continues to flow through the switch until the arc is extinguished. The arc damages the contacts to an extent that depends on the current, the voltage, whether the current is AC or DC, the speed at which the contacts are separated and the material from which the contacts are made. A mechanical switch is usually rated by the maximum current it can safely interrupt at a given AC or DC voltage and for a given number of operations. The cost, size and complexity of a switch increases sharply as the switch rating increases.

Standardverfahren zum Bewerten von Schaltern umfassen gewöhnlich die Prüfung mit verschiedenen Standard-Stromwerten bei einer bestimmten Spannung. Ein Schalter wird mit dem höchsten der Standardstromwerte, bei dem er den Test besteht, bewertet. Wenn beispielsweise einer der Standardstromwerte 15 A (bei 120 V) und der nächsthöhere Standardstromwert 20 A (bei 120 V) ist, besteht ein mit 15 A bewerteter Schalter bei 15 A den Test, versagt jedoch normalerweise bei 20 A und kann eventuell bei einem Nichtstandard-Strom zwischen 15 und 20 A bestehen oder auch nicht.Standard procedures for rating switches usually involve testing them at various standard currents at a specific voltage. A switch is rated at the highest of the standard currents at which it passes the test. For example, if one of the standard currents is 15 A (at 120 V) and the next higher standard current is 20 A (at 120 V), a switch rated at 15 A will pass at 15 A, but will usually fail at 20 A, and may or may not pass at a non-standard current between 15 and 20 A.

PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen sind bekannt. Die Vorrichtung wird in Reihe mit einer Last angeordnet und ist unter Normalbetriebsbedingungen in einem Zustand niedriger Temperatur und niedrigen Widerstandswerts. Wenn jedoch der Strom durch die PTC-Einrichtung übermäßig ansteigt und/oder die Umgebungstemperatur der PTC-Einrichtung übermäßig hoch wird und/oder der Normalbetriebsstrom länger als über die Normalbetriebszeit aufrechterhalten wird, wird die PTC- Einrichtung "ausgelöst", d. h. in einen Zustand hoher Temperatur und hohen Widerstandswerts gebracht, so daß der Strom beträchtlich reduziert wird. Im allgemeinen bleibt die PTC-Einrichtung im ausgelösten Zustand, auch wenn der Strom und/oder die Temperatur auf ihre Normalwerte zurückkehren, bis die PTC-Einrichtung von der Energieversorgung getrennt worden ist und abgekühlt ist. Besonders nützliche PTC-Einrichtungen enthalten ein PTC-Element, das aus einem PTC-leitfähigen Polymer besteht, d. h. aus einer Zusammensetzung, die (1) ein organisches Polymer und (2) in dem Polymer dispergiert oder anderweitig verteilt einen teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff, bevorzugt Ruß, aufweist. PTC-leitfähige Polymere und sie enthaltende Vorrichtungen sind beispielsweise beschrieben in den US-PS'en 4 237 441, 4 238 812, 4 315 237, 4 317 027, 4 426 633, 4 545 926, 4 689 475, 4 724 417, 4 774 024, 4 780 598, 4 800 253, 4 845 838, 4 857 880, 4 859 836, 4 907 340, 4 924 074, 4 935 156, 4 967 176, 5 049 850, 5 089 801 und 5 378 407.PTC circuit protection devices are known. The device is placed in series with a load and is in a low temperature and low resistance state under normal operating conditions. However, if the current through the PTC device increases excessively and/or the ambient temperature of the PTC device becomes excessively high and/or the normal operating current is maintained for longer than the normal operating time, the PTC device is "tripped", that is, placed in a high temperature and high resistance state so that the current is significantly reduced. In general, the PTC device remains in the tripped state even if the current and/or temperature return to their normal values until the PTC device has been disconnected from the power supply and has cooled. Particularly useful PTC devices include a PTC element consisting of a PTC conductive polymer, ie a composition comprising (1) an organic polymer and (2) dispersed or otherwise distributed in the polymer a particulate conductive filler, preferably carbon black. PTC conductive polymers and devices containing them are described, for example, in US Pat. Nos. 4,237,441, 4,238,812, 4,315,237, 4,317,027, 4,426,633, 4,545,926, 4,689,475, 4,724,417, 4,774,024, 4,780,598, 4,800,253, 4,845,838, 4,857,880, 4,859,836, 4,907,340, 4,924,074, 4,935,156, 4,967,176, 5,049,850, 5,089,801 and 5 378 407.

Unter normalen Betriebsbedingungen der Schaltung befindet sich eine PTC-Schaltungsschutzeinrichtung in einem Zustand niedriger Temperatur und niedrigen Widerstandswerts. Wenn jedoch eine Störung auftritt (wenn z. B. der Strom durch die PTC-Einrichtung übermäßig ansteigt und/oder die Umgebungstemperatur um die Einrichtung herum übermäßig ansteigt und/oder der Normalbetriebsstrom länger als für die normale Betriebszeit aufrechterhalten wird), wird die PTC- Einrichtung "ausgelöst", d. h. in einen Zustand hoher Temperatur und hohen Widerstandswerts gebracht, so daß der Strom in der Schaltung auf einen sicheren Wert verringert wird. Im allgemeinen bleibt die PTC-Einrichtung auch nach Beseitigung der Störung im ausgelösten Zustand, bis die Einrichtung von der Energieversorgung getrennt worden ist und abgekühlt ist.Under normal operating conditions of the circuit, a PTC circuit protection device is in a low temperature and low resistance state. However, if a fault occurs (e.g. if the current through the PTC device increases excessively and/or the ambient temperature around the device increases excessively and/or the normal operating current is maintained for longer than the normal operating time), the PTC device is "tripped", i.e., brought into a high temperature and high resistance state so that the current in the circuit is reduced to a safe level. In general, even after the fault has been removed, the PTC device will remain in the tripped state until the device has been disconnected from the power supply and has cooled down.

In einem Posten von PTC-Einrichtungen, die nach demselben Fertigungsverfahren hergestellt sind, können unkontrollierbare Schwankungen im Verfahren zu erheblichen Schwankungen der Bedingungen führen, die eine einzelne Einrichtung auslösen. Der größte Beharrungsstrom, der keine der Einrichtungen in dem Posten zum Auslösen veranlaßt, wird hier als der "Prüfstrom" (IPASS) oder "Haltestrom" bezeichnet, und der kleinste Beharrungsstrom, der sämtliche Einrichtungen zum Auslösen bringt, wird als der "Auslösestrom" (ITRIP) bezeichnet. Im allgemeinen nimmt die Differenz zwischen IPASS und ITRIP langsam mit steigender Umgebungstemperatur ab. In Abhängigkeit von dem speziellen Einrichtungstyp kann ITRIP beispielsweise das 1,5- bis 2,5fache von IPASS bei 20ºC sein. Für jede einzelne Einrichtung sind der Prüfstrom und der Auslösestrom im wesentlichen gleich. In der vorliegenden Beschreibung wird jedoch auf eine PTC-Einrichtung Bezug genommen, die einen IPASs und einen davon verschiedenen ITRIP hat, weil in der Praxis der Hersteller eines elektrischen Schalters PTC-Einrichtungen verwenden muß, die von einem Posten solcher Einrichtungen stammen. Im allgemeinen gilt, daß der Prüfstrom und der Auslösestrom um so niedriger sind, je höher die Umgebungstemperatur ist. Diese Erscheinung bezeichnet man als "thermische Minderung", und der Ausdruck "Minderungskurve" wird verwendet, um ein Diagramm der Temperatur gegenüber dem Prüfstrom zu bezeichnen.In a batch of PTC devices manufactured using the same manufacturing process, uncontrollable variations in the process can lead to significant variations in the conditions which will trip a single device. The largest steady state current which will not trip any of the devices in the lot is referred to herein as the "test current" (IPASS) or "holding current" and the smallest steady state current which will trip all of the devices is referred to as the "trip current" (ITRIP). In general, the difference between IPASS and ITRIP decreases gradually with increasing ambient temperature. Depending on the particular type of device, ITRIP may be, for example, 1.5 to 2.5 times IPASS at 20ºC. For any single device, the test current and the trip current are substantially the same. However, in the present description, reference is made to a PTC device having an IPASs and a different ITRIP because in practice the manufacturer of an electrical switch must use PTC devices obtained from a lot of such devices. In general, the higher the ambient temperature, the lower the test current and the trip current. This phenomenon is called "thermal derating" and the term "derating curve" is used to describe a graph of temperature versus test current.

Wir haben das Verhalten von elektrischen Schalteranordnungen untersucht, die zwei mechanische Schalter in Reihe oder parallel und eine PTC-Einrichtung aufweisen, die mit einem der Schalter parallel ist (der hier als "der Parallelschalter" bezeichnet wird) und in Reihe mit dem anderen Schalter ist (der hier als "der Reihenschalter" bezeichnet wird). Ich habe entdeckt, daß dann, wenn die beiden Schalter im wesentlichen gleichzeitig betätigt werden oder der Reihenschalter kurz nach dem Parallelschalter betätigt wird, wenn ein Strom ISWITCM durch die Anordnung bei einer angelegten Spannung VSWITCH geht, der Parallelschalter einen Strom ISWITCH bei einer Spannung unterbricht, die erheblich kleiner als VSWITCH ist, und daß als Folge der Zunahme des Widerstandswerts der PTC-Einrichtung der Reihenschalter einen Strom, der erheblich kleiner als ISWITCH ist, bei einer Spannung unterbricht, die ein wenig kleiner als die Spannung VSWITCH ist. Es ist daher möglich, daß einer oder beide Schalter eine Bewertung von kleiner als ISWITCH bei der Spannung VSWITCH haben (oder alternativ ausgedrückt, es ist möglich, daß einer oder beide Schalter eine Bewertung ISWITCH bei einer Spannung, die kleiner als VSWITCH ist, haben). Eine solche Schalteranordnung kann daher billiger und/oder zuverlässiger als ein einziger herkömmlicher Schalter sein, der den Strom ISWITCH bei der Spannung VSWITCH unterbricht. Ich habe ferner entdeckt, daß dieser Effekt zu den elektrischen und thermischen Charakteristiken der PTC-Einrichtung in Beziehung steht und daß in vielen Fällen die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die PTC-Einrichtung ein PTC-Element enthält, das aus einem Material besteht, das einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 Ohm-cm bei Raumtemperatur hat. PTC-leitfähige Polymere, die solche spezifischen Widerstandswerte haben, sind ohne weiteres verfügbar.We have investigated the behavior of electrical switch assemblies comprising two mechanical switches in series or parallel and a PTC device in parallel with one of the switches (referred to herein as "the parallel switch") and in series with the other switch (referred to herein as "the series switch"). I have discovered that when the two switches are operated substantially simultaneously, or the series switch is operated shortly after the parallel switch, when a current ISWITCM passes through the assembly at an applied voltage VSWITCH, the Parallel switch interrupts a current ISWITCH at a voltage considerably less than VSWITCH and that, as a result of the increase in the resistance of the PTC device, the series switch interrupts a current considerably less than ISWITCH at a voltage slightly less than the voltage VSWITCH. It is therefore possible for one or both switches to have a rating of less than ISWITCH at the voltage VSWITCH (or, alternatively, it is possible for one or both switches to have a rating ISWITCH at a voltage less than VSWITCH). Such a switch arrangement may therefore be cheaper and/or more reliable than a single conventional switch interrupting the current ISWITCH at the voltage VSWITCH. I have further discovered that this effect is related to the electrical and thermal characteristics of the PTC device and that in many cases the best results are obtained when the PTC device contains a PTC element made of a material having a resistivity of less than 10 ohm-cm at room temperature. PTC conductive polymers having such resistivities are readily available.

Diese Entdeckungen können genutzt werden, um Schaltanordnungen bereitzustellen, die eine Schaltung im Normalgebrauch der Schaltung ein- und ausschalten, wobei die Schalter entweder manuell oder in Abhängigkeit von einem Zustand, der im Normalgebrauch der Schaltung eintritt, betätigt werden. Sie können ferner dazu genutzt werden, Störungsschutzsysteme bereitzustellen, wobei die Schalter dann indirekt durch den Störungszustand betätigt werden. Außerdem begrenzt bei den Schalteranordnungen der vorliegenden Erfindung die PTC- Einrichtung die Energie, die der Last während des Schaltvorgangs zugeführt wird. Dieses Merkmal bietet "Fehlerstrombegrenzungs"-Charakteristiken.These discoveries can be used to provide switching arrangements that turn a circuit on and off during normal use of the circuit, the switches being operated either manually or in response to a condition occurring during normal use of the circuit. They can also be used to provide fault protection systems, the switches then being operated indirectly by the fault condition. In addition, in the switching arrangements of the present invention, the PTC device limits the energy delivered to the load during switching operation. This feature provides "fault current limiting" characteristics.

Der Widerstandswert der PTC-Einrichtung muß durch den Strom, der durch die Vorrichtung geht, wenn der Parallelschalter geöffnet wird, erheblich erhöht werden. Ferner hat die Geschwindigkeit, mit der der Widerstandswert ansteigt, einen erheblichen Einfluß auf die Ausbildung der Anordnung. Wenn beide Schalter gleichzeitig betätigt werden, fließt der Strom weiterhin durch den Reihenschalter in Form eines Lichtbogens zwischen den Kontaktstücken, während sie voneinander getrennt werden, bis der ansteigende Widerstandswert der PTC- Einrichtungen einen solchen Wert erreicht, daß der Lichtbogen nicht aufrechterhalten wird. Daher ist die erforderliche Bewertung des Reihenschalters um so niedriger, je rascher der Widerstandswert der PTC-Einrichtungen diesen Wert erreicht. Wenn der Reihenschalter nach dem Parallelschalter betätigt wird, wird dadurch die Dauer der Lichtbogenbildung in dem Reihenschalter verkürzt und kann die Lichtbogenbildung eventuell vollständig eliminieren. Wenn daher der Widerstandswert der PTC-Einrichtung den erforderlichen Wert erreicht, bevor der Reihenschalter betätigt wird, tritt in dem Reihenschalter keine Lichtbogenbildung auf. Das ist ideal für den Reihenschalter, aber die Kosten dafür, die erwünschte Verzögerung zu garantieren, können den Vorteil der Verwendung eines Schalters mit niedriger Bewertung aufheben. Da in Wechselstromschaltungen die Lichtbogenbildung (falls vorhanden) bei jedem Strom Null aufhört, gibt es im allgemeinen keinen Grund, die Betätigung des Reihenschalters zu verzögern, wenn die PTC-Einrichtung den erforderlichen Widerstandswert in weniger als einer halben Periode erreicht. Es soll auch daran erinnert werden, daß dann, wenn der Reihenschalter nicht betätigt wird, so bald der Widerstandswert der PTC-Einrichtung den erforderlichen Wert erreicht, die PTC-Einrichtung derart sein muß, daß sie ihren Zustand hoher Temperatur aufrechterhalten kann, ohne daß sie selbst oder irgendeine andere Komponente beschädigt wird, bis der Reihenschalter betätigt wird. Es ist ferner erwünscht, daß der Reihenschalter nicht später als 100 ms nach dem Parallelschalter öffnet und/oder betätigt wird, um sicherzustellen, daß die Schaltung nicht über einen beträchtlichen Zeitraum nach der Betätigung des Parallelschalters stromführend ist.The resistance of the PTC device must be increased considerably by the current passing through the device when the parallel switch is opened. Furthermore, the rate at which the resistance increases has a considerable influence on the design of the arrangement. If both switches are operated simultaneously, the current will continue to flow through the series switch in the form of an arc between the contacts as they are separated from each other until the increasing resistance of the PTC devices reaches a value such that the arc is not maintained. Therefore, the faster the resistance of the PTC devices reaches this value, the lower the required rating of the series switch. If the series switch is operated after the parallel switch, this will shorten the duration of arcing in the series switch and may eliminate arcing altogether. Therefore, if the resistance of the PTC device reaches the required value before the series switch is operated, no arcing will occur in the series switch. This is ideal for the series switch, but the cost of guaranteeing the desired delay may outweigh the benefit of using a low-rated switch. Since in AC circuits arcing (if any) ceases at any zero current, there is generally no reason to delay the operation of the series switch if the PTC device reaches the required resistance value in less than half a cycle. It should also be remembered that if the series switch is not operated, as soon as the resistance value of the PTC device reaches the required value, the PTC device must be such that it can maintain its high temperature condition without damaging itself or any other component until the series switch is operated. It is further desirable that the series switch opens and/or is operated no later than 100 ms after the parallel switch to ensure that the circuit is not energized for a significant period of time after the parallel switch is operated.

Eine PTC-Einrichtung wird normalerweise als zur Verwendung mit einem bestimmten Strom (oder Bereich von Strömen) und einer bestimmten Spannung (oder einem Bereich von Spannungen) geeignet bezeichnet, wobei diese Bezeichnungen auf der Forderung basieren, daß die PTC-Einrichtung unter diesen Bedingungen mit Sicherheit auslöst. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß dadurch, daß der Strom nur für eine begrenzte Zeitdauer durch die PTC-Einrichtung geht (d. h. zwischen dem Zeitpunkt der Betätigung des Parallelschalters und dem Zeitpunkt, zu dem der Strom aufhört zu fließen), und die PTC-Einrichtung gewöhnlich nicht den sehr hohen Widerstandswert ihres normalen "ausgelösten" Zustands erreicht, die PTC-Einrichtung die Eigenschaften nicht aufzuweisen braucht, die gewöhnlich mit einer PTC-Einrichtung in Verbindung gebracht werden, die bei ISWITCH und VSWITCH aktiv ist. Infolgedessen können die Schalteranordnungen der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, Ströme und Spannungen zu unterbrechen, die viel höher als diejenigen sind, die normalerweise mit PTC-Einrichtungen einhergehen. Wenn ISWITCH und/oder IVOLTAGE hoch sind, ist die von der PTC- Einrichtung absorbierte Energiemenge entsprechend hoch.A PTC device is normally designated as being suitable for use with a particular current (or range of currents) and voltage (or range of voltages), these designations being based on the requirement that the PTC device will certainly trip under these conditions. An important advantage of the present invention is that because the current only passes through the PTC device for a limited period of time (i.e., between the time the parallel switch is operated and the time the current stops flowing), and the PTC device does not usually reach the very high resistance value of its normal "tripped" state, the PTC device need not have the characteristics usually associated with a PTC device active at ISWITCH and VSWITCH. As a result, the switch assemblies of the present invention can be used to interrupt currents and voltages much higher than those normally associated with PTC devices. When ISWITCH and/or IVOLTAGE are high, the amount of energy absorbed by the PTC device is correspondingly high.

Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Schalteranordnung gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere Aspekte sind durch die Unteransprüche definiert.According to a first aspect, the present invention provides a switch arrangement according to claim 1. Further aspects are defined by the subclaims.

Wenn hier gesagt wird, daß die PTC-Einrichtung einem Strom IPTC ausgesetzt wird, der eine Funktion von ISWITCH oder INORMAL ist, dann ist IPTC ein Wechselstrom, wenn ISWITCH oder INORMAL ein Wechselstrom ist, und ein Gleichstrom, wenn ISWITCH oder INORMAL ein Gleichstrom ist. Wenn IPTC ein Wechselstrom ist und die Vorrichtung den erforderlichen Widerstandswert in weniger als einer halben Periode erreicht, erreicht der Strom tatsächlich den bezeichneten Wert eventuell nicht; ferner ist der Zeitraum bis zum Erreichen des gewünschten Widerstandswerts von dem Phasenwinkel des Stroms zu Beginn des Tests abhängig. Die in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Zeiten sind daher unter Verwendung einer Energiequelle gemessen, die, wenn sie nicht unterbrochen wird, den bezeichneten Wert (einen sogenannten "prospektiven Strom") erreicht.When it is said here that the PTC device is subjected to a current IPTC which is a function of ISWITCH or INORMAL, then IPTC is an alternating current if ISWITCH or INORMAL is an alternating current and a direct current if ISWITCH or INORMAL is a direct current. If IPTC is an alternating current and the device reaches the required resistance value in less than half a cycle, the current may not actually reach the designated value; furthermore, the time taken to reach the desired resistance value depends on the phase angle of the current at the start of the test. The times given in the present description are therefore measured using an energy source which, if not interrupted, reaches the designated value (a so-called "prospective current").

Die beiden Schalter können manuell oder, wenn beispielsweise die Anordnung Teil eines Leistungsschalters ist, der mit hoher Spannung arbeitet, in Abhängigkeit von einem Signal betätigt werden, das über ein Schutzrelais mit niedriger Spannung von einem Spannungswandler oder einem Stromwandler aktiv ist.The two switches can be operated manually or, for example, if the arrangement is part of a circuit breaker operating at high voltage, in response to a signal active via a low voltage protection relay from a voltage transformer or a current transformer.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 10 der vorliegenden Erfindung, die eine Parallelkombination aus einer PTC-Einrichtung 2 und einem Parallelschalter 6 aufweist, die mit einem Reihenschalter 4 in Reihe geschaltet ist. Wenn die elektrische Schalteranordnung 10 betätigt wird, öffnet der Parallelschalter 6 sofort und schaltet den Strom parallel zu der parallelen PTC-Einrichtung 2. Infolgedessen steigt der Widerstandswert der PTC- Einrichtung 2 an, wodurch der Strom vermindert wird und der Reihenschalter 4 bei einem niedrigeren Strom öffnen kann. Bei manchen Anwendungen werden der Reihenschalter 4 und der Parallelschalter 6 gleichzeitig betätigt (wenn die Schalter beispielsweise mechanisch gekoppelt sind). Bei anderen Anwendungen kann es günstig sein, die Betätigung des Reihenschalters 4 zu verzögern; eine solche Verzögerung kann mechanisch oder elektrisch erreicht werden.Fig. 1 shows an arrangement 10 of the present invention comprising a parallel combination of a PTC device 2 and a parallel switch 6 connected in series with a series switch 4. When the electrical switch arrangement 10 is operated, the parallel switch 6 opens immediately and switches the current in parallel with the parallel PTC device 2. As a result, the resistance value of the PTC device 2 increases, thereby reducing the current and the Series switch 4 can open at a lower current. In some applications, series switch 4 and parallel switch 6 are operated simultaneously (for example, when the switches are mechanically coupled). In other applications, it may be advantageous to delay the operation of series switch 4; such a delay can be achieved mechanically or electrically.

Andere Komponenten können mit den Anordnungen der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, um zusätzliche oder alternative Funktionalitäten zu erhalten. Beispielsweise kann bei einer Schaltung, die eine induktive Last hat, eine Stoßspannung über der PTC-Einrichtung 2 aus einer raschen Stromabnahme in der Schaltung resultieren, während die PTC-Einrichtung 2 von einem Zustand niedriger Impedanz einen Zustand hoher Impedanz annimmt. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die unter diesen Umständen nützlich ist und bei der eine Spannungsbegrenzungseinrichtung wie etwa ein Varistor 8 mit der PTC-Einrichtung 2 parallelgeschaltet ist, um solche Stoßspannungen zu begrenzen.Other components may be combined with the arrangements of the present invention to provide additional or alternative functionality. For example, in a circuit having an inductive load, a surge voltage across the PTC device 2 may result from a rapid current decrease in the circuit while the PTC device 2 is changing from a low impedance state to a high impedance state. Figure 2 shows an arrangement useful in these circumstances in which a voltage limiting device such as a varistor 8 is connected in parallel with the PTC device 2 to limit such surge voltages.

Fig. 3 ist ein Diagramm der Spannung über dem Strom und zeigt in dem schraffierten Bereich OABCD die Kombinationen von Spannung und Strom, die von einem typischen mechanischen Schalter, der eine Strombewertung von I Ampère bei V Volt hat, sicher unterbrochen werden können. Wie Fig. 3 zeigt, kann dieselbe Einrichtung auf verschiedene Weise bewertet werden, und zwar in Abhängigkeit von der gewählten Spannung; und es gibt Maximalwerte von Strom und Spannung, über die hinaus der Schalter nicht verwendet werden kann.Fig. 3 is a diagram of voltage versus current and shows in the shaded area OABCD the combinations of voltage and current which can be safely interrupted by a typical mechanical switch having a current rating of I amperes at V volts. As Fig. 3 shows, the same device can be rated in different ways, depending on the voltage chosen; and there are maximum values of current and voltage beyond which the switch cannot be used.

Fig. 4 entspricht Fig. 3, zeigt jedoch eine Kombination einer interessierenden Spannung VSWITCH und eines interessierenden Stroms ISWITCH. Ein Schalter mit einer Bewertungscharakteristik wie der in Fig. 3 und 4 gezeigten wäre nicht imstande, einen normalen Schaltungsstrom ISWITCH bei einer normalen Schaltungsspannung VSWITCH zu unterbrechen. Die elektrischen Schalteranordnungen der vorliegenden Erfindung, bei denen jeder Schalter eine Bewertung entsprechend Fig. 5 hat, sind imstande, einen Strom gleich ISWITCH bei einer Spannung gleich VSWITCH zu unterbrechen. In den Anordnungen hat die Anwesenheit der PTC-Einrichtung den Effekt einer Aufteilung der Stromunterbrechung in zwei gesonderte Schaltvorgänge, und zwar die erste an dem ISWITCH/VINTERRUPT-Unterbrechungspunkt und die zweite an dem IINTSRRUPT/VSWITCH-Unterbrechungspunkt. Eine Anordnung aus einer PTC-Einrichtung mit mechanischen Schaltern gemäß Fig. 1, wobei der Reihenschalter und der Parallelschalter unterschiedliche Bewertungscharakteristiken haben, wie Fig. 6 zeigt, kann ebenfalls einen Strom gleich ISWITCH bei einer Spannung gleich VSWITCH unterbrechen. Bei elektrischen Schalteranordnungen, die aus mechanischen Schaltern mit den Bewertungscharakteristiken entweder nach Fig. 5 oder Fig. 6 bestehen, ist der Parallelschalter so bewertet, daß er einen Strom ISWITCH bei einer angelegten Spannung VINTSRRUPT unterbricht, und der Reihenschalter ist so bewertet, daß er einen Strom IINTERRUPT bei einer angelegten Spannung VSWITCH unterbricht.Fig. 4 corresponds to Fig. 3, but shows a combination of a voltage of interest VSWITCH and a voltage of interest current ISWITCH. A switch having a rating characteristic such as that shown in Figs. 3 and 4 would not be able to interrupt a normal circuit current ISWITCH at a normal circuit voltage VSWITCH. The electrical switch assemblies of the present invention, each switch having a rating as shown in Fig. 5, are able to interrupt a current equal to ISWITCH at a voltage equal to VSWITCH. In the assemblies, the presence of the PTC device has the effect of splitting the current interruption into two separate switching operations, the first at the ISWITCH/VINTERRUPT interruption point and the second at the IINTSRRUPT/VSWITCH interruption point. An arrangement of a PTC device with mechanical switches as shown in Fig. 1, wherein the series switch and the parallel switch have different rating characteristics as shown in Fig. 6, can also interrupt a current equal to ISWITCH at a voltage equal to VSWITCH. In electrical switch assemblies consisting of mechanical switches having the rating characteristics of either Fig. 5 or Fig. 6, the parallel switch is rated to interrupt a current ISWITCH at an applied voltage VINTSRRUPT and the series switch is rated to interrupt a current IINTERRUPT at an applied voltage VSWITCH.

Die Diagramme der Fig. 5 und 6 zeigen, wie eine Kombination aus zwei gegebenen Schaltern (die identische Charakteristiken haben, wie in Fig. 5 gezeigt ist, oder unterschiedliche Charakteristiken haben, wie in Fig. 6 gezeigt ist) mit einer PTC-Einrichtung (wie sie in Fig. 1 gezeigt ist) angeordnet werden kann, um einen Strom und eine Spannung zu unterbrechen, die keiner der Schalter alleine unterbrechen könnte. Das Diagramm von Fig. 7 zeigt, daß es für eine gegebene interessierende Strom- und Spannungskombination, z. B. ISWITCH und VSWITCH, viele verschiedene Kombinationen von mechanischen Schaltern gibt, die mit einer PTC-Einrichtung angeordnet werden könnten, um ISWITCH und VSWITCH zu unterbrechen, während keiner der Schalter für sich imstande ist, ISWITCH und VSWITCH zu unterbrechen. Bei jeder von N Kombinationen aus mechanischen Reihen- und Parallelschaltern (mit Si und Pi bezeichnet, i = 1...N) ist der Parallelschalter imstande, einen Strom ISWITCH bei einer Spannung Vi, zu unterbrechen, und der entsprechende Reihenschalter ist imstande, einen Strom Ii bei der Spannung VSWITCH zu unterbrechen. Praktisch ausgedrückt wäre es das Ziel des Konstrukteurs von elektrischen Schaltern, die billigste Kombination mechanischer Schalter zu wählen (im allgemeinen ist die billigste Kombination auch die kleinste, das ist jedoch nicht unbedingt der Fall, da die Schalter immer kleiner werden).The diagrams of Figs. 5 and 6 show how a combination of two given switches (having identical characteristics as shown in Fig. 5 or having different characteristics as shown in Fig. 6) can be arranged with a PTC device (as shown in Fig. 1) to interrupt a current and a voltage which neither switch could interrupt alone. The diagram of Fig. 7 shows that for a given For a current and voltage combination of interest, say ISWITCH and VSWITCH, there are many different combinations of mechanical switches that could be arranged with a PTC device to interrupt ISWITCH and VSWITCH, while none of the switches by themselves is capable of interrupting ISWITCH and VSWITCH. For each of N combinations of series and parallel mechanical switches (denoted Si and Pi, i = 1...N), the parallel switch is capable of interrupting a current ISWITCH at a voltage Vi, and the corresponding series switch is capable of interrupting a current Ii at the voltage VSWITCH. In practical terms, the aim of the electrical switch designer would be to choose the cheapest combination of mechanical switches (in general, the cheapest combination is also the smallest, but this is not necessarily the case as switches become smaller and smaller).

Fig. 8 ist ein Schaltbild für eine Schaltung 20, die eine elektrische Schalteranordnung 10 der vorliegenden Erfindung mit einer Energieversorgung 12 und einer Last 14 aufweist. Unter Bezugnahme auf die Diagramme der Fig. 5 und 6 ist die Normalspannung in der Schaltung 20 VSWITCH oder kleiner, und der normale Schaltungsstrom in der beispielhaften Schaltung 20 ist ISWITCH oder kleiner. Da der Reihenschalter 4 und der Parallelschalter 6 Spannungs- und Stromunterbrechungs- Bewertungscharakteristiken entsprechend den Fig. 5 oder 6 haben, könnte keiner der Schalter allein den Strom ISWITCH bei der Spannung VSWITCH unterbrechen. Der Parallelschalter 6 kann jedoch den Strom ISWITCH bei der verminderten Spannung VINTSRRUPT unterbrechen, und der Reihenschalter 4 kann den verminderten Strom IINTERRUPT bei der Spannung VSWITCH unterbrechen. In der Schaltung 20 und mit der PTC-Einrichtung 2, die einen Niedertemperatur-Widerstandswert von RPTCLOW und einen Hochtemperatur-Widerstandswert von RPTCHIGH hat, besteht die folgende Beziehung:Fig. 8 is a circuit diagram for a circuit 20 having an electrical switch assembly 10 of the present invention with a power supply 12 and a load 14. Referring to the diagrams of Figs. 5 and 6, the normal voltage in the circuit 20 is VSWITCH or less, and the normal circuit current in the exemplary circuit 20 is ISWITCH or less. Since the series switch 4 and the parallel switch 6 have voltage and current interrupt rating characteristics corresponding to Figs. 5 or 6, neither switch alone could interrupt the current ISWITCH at the voltage VSWITCH. However, the parallel switch 6 can interrupt the current ISWITCH at the reduced voltage VINTSRRUPT, and the series switch 4 can interrupt the reduced current IINTERRUPT at the voltage VSWITCH. In the circuit 20 and with the PTC device 2 having a low temperature resistance value of RPTCLOW and a High temperature resistance value of RPTCHIGH, the following relationship exists:

RPTCLOWXIswitch < VINTERRUPT definiert die Beziehung zwischen dem Widerstandswert der PTC-Einrichtung 2 im Niedrigwiderstandszustand und der Unterbrechungsbewertung des Parallelschalters 6; undRPTCLOWXIswitch < VINTERRUPT defines the relationship between the resistance value of PTC device 2 in the low resistance state and the interrupt rating of parallel switch 6; and

VSWITCH/RPTCHIGH > IINTERRUPT definiert die Beziehung zwischen dem Widerstandswert der PTC-Einrichtung 2 im Hochwiderstandszustand und der Unterbrechungsbewertung des Reihenschalters 4.VSWITCH/RPTCHIGH > IINTERRUPT defines the relationship between the resistance value of PTC device 2 in the high resistance state and the interrupt rating of series switch 4.

Mit diesen Beziehungen können die Charakteristiken, die von den Komponenten verlangt werden, die die elektrische Schalteranordnung 10 aufweisen, wie folgt definiert werden.With these relationships, the characteristics required of the components comprising the electrical switch assembly 10 can be defined as follows.

1. Der Reihenschalter und der Parallelschalter können, wenn sie geschlossen sind, kontinuierlich einen Strom führen, der gleich Wie oder größer als ISWITCH ist.1. The series switch and the parallel switch, when closed, can continuously carry a current equal to or greater than ISWITCH.

2. Die PTC-Einrichtung hat einen Prüfstrom IPASS, der niedriger als ISWITCH ist.2. The PTC device has a test current IPASS that is lower than ISWITCH.

3. Die PTC-Einrichtung hat einen Auslösestrom ITRIP, der niedriger als ISWITCH bei VSWITCH ist.3. The PTC device has a trip current ITRIP which is lower than ISWITCH at VSWITCH.

4. Die PTC-Einrichtung hat einen niedrigen Widerstandswert RPTCLOW, und der Parallelschalter ist so bewertet, daß er einen Strom gleich ISWITCH bei einer angelegten Spannung unterbricht, die kleiner oder gleich wie RPTCLOW · ISWITCH ist und4. The PTC device has a low resistance value RPTCLOW and the parallel switch is rated to interrupt a current equal to ISWITCH at an applied voltage less than or equal to RPTCLOW · ISWITCH and

5. Die PTC-Einrichtung hat einen hohen Widerstandswert RPTCHIGH, und der Reihenschalter ist so bewertet, daß er einen Strom unterbricht, der gleich wie oder kleiner als VSWITCH/RPTCHIGH bei einer angelegten Spannung VSWITCH ist.5. The PTC device has a high resistance value RPTCHIGH and the series switch is rated to interrupt a current equal to or less than VSWITCH/RPTCHIGH at an applied voltage VSWITCH.

In der Reihen-/Parallelkombination von Fig. 1 ist in der elektrischen Schalteranordnung 10 der Reihenschalter 4 der Parallelkombination aus PTC-Einrichtung 2 und Parallelschalter 6 vorgeschaltet. Die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Schalteranordnung hängen allerdings nicht von einer solchen Reihenfolge ab, da andere Überlegungen die Plazierung des Reihenschalters vorgeben können. Beispielsweise bietet die in Fig. 1 gezeigte Reihenfolge den zusätzlichen Vorteil, daß bei Anwendungen der elektrischen Schalteranordnung 10 zum Zweck des Überstromschutzes der Reihenschalter 4 dazu dienen könnte, Komponenten in einer Überstromschutzschaltung von der Energieversorgung zu trennen, und zwar zusätzlich zu der Trennung einer Last von der Energieversorgung. Das ist besonders dann erforderlich, wenn diese Komponenten zugänglich sind und die Möglichkeit besteht, daß sie von Menschen berührt werden.In the series/parallel combination of Fig. 1, the series switch 4 in the electrical switch assembly 10 is connected upstream of the parallel combination of PTC device 2 and parallel switch 6. However, the electrical characteristics of the electrical switch assembly do not depend on such an order, since other considerations may dictate the placement of the series switch. For example, the order shown in Fig. 1 offers the additional advantage that in applications of the electrical switch assembly 10 for the purpose of overcurrent protection, the series switch 4 could be used to isolate components in an overcurrent protection circuit from the power supply, in addition to isolating a load from the power supply. This is particularly necessary when these components are accessible and there is a possibility that they may be touched by humans.

Bei einem speziellen Beispiel der Schaltung von Fig. 8 sind sowohl der Reihenschalter 4 als auch der Parallelschalter 6 so bewertet, da sie 1/2 A bei 120 V Wechselspannung unterbrechen; die PTC-Einrichtung 2 ist eine RXE030 Polyswitch®-Vorrichtung von Raychem mit einem Nennwiderstandswert von 1 Ohm in ihrem Zustand niedrigen Widerstandswerts; die Energieversorgung 12 ist mit 120 V Wechselspannung aktiv; und die Last 14 hat eine Impedanz von 12 Ohm. Der Normalstrom in der beispielhaften Schaltung 20 ist daher 10 A. Wenn beide Schalter gleichzeitig betätigt werden, öffnet der Parallelschalter 6 sofort und lenkt den Strom durch die PTC-Einrichtung 2 um. Da der Widerstandswert der PTC- Einrichtung 2 1 Ohm ist, ist die Spannung über der PTC- Einrichtung 2 beim Öffnen des Parallelschalters 6In a specific example of the circuit of Fig. 8, both the series switch 4 and the parallel switch 6 are rated to carry 1/2 A at 120 V AC voltage; the PTC device 2 is a Raychem RXE030 Polyswitch® device with a nominal resistance of 1 ohm in its low resistance state; the power supply 12 is active at 120 VAC; and the load 14 has an impedance of 12 ohms. The normal current in the exemplary circuit 20 is therefore 10 A. When both switches are operated simultaneously, the parallel switch 6 opens immediately and diverts the current through the PTC device 2. Since the resistance of the PTC device 2 is 1 ohm, the voltage across the PTC device 2 when the parallel switch 6 opens is

1 Ohm · (120 V/(1 Ohm + 12 Ohm))1 Ohm · (120V/(1 Ohm + 12 Ohm))

was ungefähr 9,2 V entspricht. Somit muß der Parallelschalter 6 imstande sein, einen Strom von geringfügig weniger als ISWITCH bei einer Wechselspannung von 9,2 V in Übereinstimmung mit der obigen Definition zu unterbrechen. Die I²R-Erwärmung der PTC-Einrichtung 2 erhöht den Widerstandswert der PTC-Einrichtung 2 innerhalb eines kurzen Zeitraums in der Größenordnung von 10 ms auf mehrere tausend Ohm. Daher führt der Reihenschalter 4 einen Strom, der bei 10 A beginnt und auf einen sehr niedrigen Wert von z. B. einigen mA in einem Zeitraum in der Größenordnung von 10 ms abnimmt, und zu diesem Zeitpunkt öffnet der Reihenschalter 4 und unterbricht diesen niedrigen Strom bei 120 V.which corresponds to approximately 9.2 V. Thus, the parallel switch 6 must be able to interrupt a current of slightly less than ISWITCH at an AC voltage of 9.2 V in accordance with the above definition. The I²R heating of the PTC device 2 increases the resistance value of the PTC device 2 to several thousand ohms within a short period of time in the order of 10 ms. Therefore, the series switch 4 carries a current which starts at 10 A and decreases to a very low value of, for example, a few mA in a period of time in the order of 10 ms, at which time the series switch 4 opens and interrupts this low current at 120 V.

Wenn jedoch in derselben Schaltung der Reihenschalter 4 so eingestellt wäre, daß er mit Verzögerung öffnet, könnte eine PTC-Einrichtung 2 wie etwa RXE160 Polyswitch® von Raychem mit einem Widerstandswert in der Größenordnung von 0,1 Ohm im Zustand niedrigen Widerstandswerts verwendet werden. Wenn der Parallelschalter 6 öffnet, schaltet er 10 A, aber nur bei 1 V. Die I²R-Erwärmung der PTC-Einrichtung 2 erhöht ihren Widerstandswert innerhalb von ca. 3 Sekunden auf einige tausend Ohm. Wenn der Reihenschalter 4 so eingestellt wäre, daß er mit einer Verzögerung von 3 Sekunden öffnet, müßte der Reihenschalter 4 nur den entsprechenden sehr niedrigen Strom (z. B. ca. 0,02 A) bei 120 V schalten.However, if in the same circuit the series switch 4 was set to open with a delay, a PTC device 2 such as the RXE160 Polyswitch® from Raychem with a resistance value in the A delay of around 0.1 ohms can be used in the low resistance state. When the parallel switch 6 opens, it switches 10 A, but only at 1 V. The I²R heating of the PTC device 2 increases its resistance to several thousand ohms within about 3 seconds. If the series switch 4 were set to open with a delay of 3 seconds, the series switch 4 would only have to switch the corresponding very low current (e.g. about 0.02 A) at 120 V.

Wenn in derselben Schaltung die PTC-Einrichtung 2 eine RXE017 Polyswitch®-Einrichtung von Raychem wäre, die einen Widerstandswert in der Größenordnung von 4 Ohm in ihrem Zustand niedrigen Widerstandswerts hat, würde ihr Widerstandswert innerhalb von ca. 1 ms bei 10 A auf mehrere tausend Ohm ansteigen. Ein sinusförmiger Strom von 10 A würde dann unterbrochen werden, bevor er seinen Maximalwert erreicht. Wenn der Parallelschalter 6 öffnet, während der sinusförmige Strom durch Null geht, würde die PTC-Einrichtung 2 den Strom durch den Reihenschalter 4 begrenzen, bevor der Strom seinen Maximalwert erreichen würde. Der Parallelschalter 6 wäre so bewertet, daß er 10 A bei 40 V unterbricht. Wenn nur die Schaltvorgänge betrachtet werden, könnte theoretisch der Reihenschalter so bewertet sein, daß er einen sehr niedrigen Strom bei 120 V unterbricht. In der Praxis wäre die Bewertung des Reihenschalters durch die Forderung bestimmt, daß der Reihenschalter im geschlossenen Zustand den normalen Strom von 10 A kontinuierlich führen muß.If in the same circuit the PTC device 2 was a Raychem RXE017 Polyswitch® device, which has a resistance of the order of 4 ohms in its low resistance state, its resistance would rise to several thousand ohms within about 1 ms at 10 A. A sinusoidal current of 10 A would then be interrupted before it reached its maximum value. If the parallel switch 6 opened as the sinusoidal current passed through zero, the PTC device 2 would limit the current through the series switch 4 before the current reached its maximum value. The parallel switch 6 would be rated to interrupt 10 A at 40 V. If only the switching operations are considered, theoretically the series switch could be rated to interrupt a very low current at 120 V. In practice, the rating of the series switch would be determined by the requirement that the series switch must continuously carry the normal current of 10 A when closed.

Bei der Wahl von mechanischen Schaltern und PTC- Einrichtungen zum Gebrauch bei der Erfindung müssen Kompromisse gemacht werden. Da der Widerstandswert der PTC-Einrichtung in ihrem Zustand niedrigen Widerstandswerts ansteigt, tendiert die PTC-Einrichtung dazu, den erforderlichen hohen Widerstandswert in kürzerer Zeit zu erreichen, und die Verzögerungsdauer zum Öffnen des Reihenschalters nimmt ab. Da jedoch der Widerstandswert der PTC-Einrichtung im Zustand niedrigen Widerstandswerts ansteigt, muß die Spannungsbewertung des Parallelschalters 6 höher sein.In choosing mechanical switches and PTC devices for use in the invention, compromises must be made. Since the resistance of the PTC device increases in its low resistance state, the PTC device tends to reach the required high resistance in a shorter time and the delay time to open the series switch decreases. However, since the resistance of the PTC device increases in the low resistance state, the voltage rating of the parallel switch 6 must be higher.

Bei der in den obigen Beispielen beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeiten die Schaltungskomponenten zusammen, um elektrische Schaltmöglichkeiten bereitzustellen. Die synergistische Kombination aus einer PTC-Einrichtung und mechanischen Schaltern kann ebenso bei Leistungsschaltern angewandt werden. Bei einem herkömmlichen Leistungsschalter kann das Signal zum Öffnen von der zu öffnenden Schaltung unabhängig sein und kommt bei einer hohen Spannung gewöhnlich über ein Schutzrelais, das mit niedriger Spannung arbeitet, von einem Spannungswandler (PT) oder einem Stromwandler (CT). Bei einem Leistungsschalter, der die in Fig. 2 gezeigte elektrische Schalteranordnung verwendet, beginnen die beiden mechanischen Schalter 4, 6 gleichzeitig zu öffnen, wobei der Parallelschalter 6 die PTC-Einrichtung 2 in Reihe mit dem Reihenschalter 4 schaltet. Die Vorteile dieser Kombination sind, daß die PTC-Einrichtung 2 für eine Halbperiode eingeschaltet ist und daher nicht eine große Spannung über einen langen Zeitraum aushalten muß; die PTC-Einrichtung 2 löst die Schaltung nicht wirklich aus, und daher ist der Betrieb des Leistungsschalters nicht davon abhängig, daß die Temperatur der PTC-Einrichtung 2 genau bekannt ist; es braucht nur der Widerstandswert der PTC-Einrichtung 2 beispielsweise um 2 bis 3 Dekaden anzusteigen, um den Fehlerstrom um 2 bis 3 Dekaden zu begrenzen; und die Fehlerstrom-Unterbrechungsanforderungen an die mechanischen Kontakte 4, 6 werden um 2 bis 3 Dekaden vermindert. Diese Anordnung benötigt zwar zwei mechanische Kontakte 4, 6 anstatt nur einen, aber der Preis von zwei Niedrigfehlerstrom-Kontakten ist ein kleiner Bruchteil des Preises eines Hochfehlerstrom- Kontakts.In the embodiment of the present invention described in the above examples, the circuit components work together to provide electrical switching capabilities. The synergistic combination of a PTC device and mechanical switches can also be applied to circuit breakers. In a conventional circuit breaker, the signal to open may be independent of the circuit to be opened and at a high voltage usually comes from a voltage transformer (PT) or a current transformer (CT) via a protective relay operating at low voltage. In a circuit breaker using the electrical switch arrangement shown in Fig. 2, the two mechanical switches 4, 6 start to open simultaneously, the parallel switch 6 connecting the PTC device 2 in series with the series switch 4. The advantages of this combination are that the PTC device 2 is on for a half-cycle and therefore does not have to withstand a large voltage for a long period of time; the PTC device 2 does not actually trip the circuit and therefore operation is of the circuit breaker does not depend on the temperature of the PTC device 2 being known exactly; it is only necessary for the resistance value of the PTC device 2 to increase by, for example, 2 to 3 decades to limit the fault current by 2 to 3 decades; and the fault current interruption requirements on the mechanical contacts 4, 6 are reduced by 2 to 3 decades. Although this arrangement requires two mechanical contacts 4, 6 instead of just one, the cost of two low fault current contacts is a small fraction of the cost of one high fault current contact.

Fig. 9 zeigt eine zweite Anordnung von zwei mechanischen Schaltern und einer PTC-Einrichtung, die eine elektrische Schalteranordnung 10' gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bilden. Bei dieser zweiten Anordnung ist der Parallelschalter 6 mit der Reihenkombination aus der PTC-Einrichtung 2 und dem Reihenschalter 4 parallel angeordnet. Die Beziehungen zwischen der PTC-Einrichtung 2 und dem Reihenschalter 4 und dem Parallelschalter 6 sind die gleichen wie diejenigen, die oben für die Anordnung von Fig. 2 erörtert wurden. Fig. 10 zeigt ein Schaltbild für eine zweite beispielhafte Schaltung 30, die die zweite Anordnung der elektrischen Schalteranordnung 10' verwendet. Die in Fig. 10 gezeigte Anordnung zeigt außerdem eine Art und Weise, wie der Reihenschalter 4 angeordnet sein kann, um verzögert zu öffnen. Bei der zweiten beispielhaften Schaltung weist der Reihenschalter 4 einen Satz von Relais-Schließkontakten auf, die mit einer Niederstrom-Relaisspule 18 verbunden sind. Wenn die elektrische Schalteranordnung 10' anfangs geschlossen wird, schließt der Parallelschalter 6 unter Abgabe von Strom an die Last 14 und Erregung der Relaisspule 18. Die erregte Relaisspule 18 schließt den Reihenschalter 4. Im Normalbetrieb fließt der Laststrom durch den Parallelschalter. Wenn die elektrische Schalteranordnung 10' öffnet, öffnet der Parallelschalter 6 und leitet den Laststrom durch die PTC-Einrichtung 2 und den Reihenschalter 4 um. Die PTC- Einrichtung 2 löst in ihren Zustand hoher Impedanz aus, wodurch der Strom in der Schaltung 30 verringert und die Relaisspule 18 entregt wird. Die entregte Relaisspule 18 öffnet den Reihenschalter 4, wodurch das Öffnen der elektrischen Schalteranordnung 10' komplett ist.Fig. 9 shows a second arrangement of two mechanical switches and a PTC device forming an electrical switch assembly 10' in accordance with the principles of the present invention. In this second arrangement, the parallel switch 6 is arranged in parallel with the series combination of the PTC device 2 and the series switch 4. The relationships between the PTC device 2 and the series switch 4 and the parallel switch 6 are the same as those discussed above for the arrangement of Fig. 2. Fig. 10 shows a circuit diagram for a second exemplary circuit 30 using the second arrangement of the electrical switch assembly 10'. The arrangement shown in Fig. 10 also shows one way in which the series switch 4 can be arranged to open delayed. In the second exemplary circuit, the series switch 4 has a set of relay closing contacts connected to a low current relay coil 18. When the electrical switch assembly 10' is initially is closed, the parallel switch 6 closes, supplying current to the load 14 and energizing the relay coil 18. The energized relay coil 18 closes the series switch 4. In normal operation, the load current flows through the parallel switch. When the electrical switch assembly 10' opens, the parallel switch 6 opens and diverts the load current through the PTC device 2 and the series switch 4. The PTC device 2 trips to its high impedance state, reducing the current in the circuit 30 and de-energizing the relay coil 18. The de-energized relay coil 18 opens the series switch 4, thereby completing the opening of the electrical switch assembly 10'.

Claims

1. Electrical switch arrangement (10) for use with alternating or direct currents, having:

(1) a first mechanical switch (4),

(2) a second mechanical switch (6) and

(3) a PTC device (2);

where

(a) the PTC device and the second switch are connected in parallel and the parallel combination is connected in series with the first switch or

(b) the PTC device and the first switch are connected in series and the series combination is connected in parallel with the second switch;

characterized in that the arrangement, when loaded according to a defined method in which both switches are operated simultaneously to interrupt a current having a voltage VSWITCH, has a rated current ISWITCH ;

wherein at least one of

(A) the first switch, when loaded according to the same procedure, has a rated current ISERIES at voltage VSWITCH that is at most j times ISWITCH, where j is 0.8, and

(B) the second switch, when loaded according to the same procedure, has a rated current IPARALLEL of at most ISWITCH at a voltage VPARALLEL of at most k times VSWITCH, where k is 0.8; and

that when the PTC device is individually subjected to a current IPTC in a test circuit having an open circuit voltage VSWITCH, where IPTC is at most m times ISWITCH, where m is equal to 0.25, its resistance increases by a factor of at least 100 in a resistance rise time of at most 16 ms.

2. Arrangement according to claim 1, wherein VSWITCH and ISWITCH are one of the following:

(1) VSWITCH is 12 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(2) VSWITCH is 24 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(3) VSWITCH is 60 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(4) VSWITCH is 120 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(5) VSWITCH is 250 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(6) VSWITCH is 600 VAC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(7) VSWITCH is 12 VDC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(8) VSWITCH is 24 VDC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(9) VSWITCH is 60 VDC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(10) VSWITCH is 120 VDC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A;

(11) VSWITCH is 250 V DC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A; and

(12) VSWITCH is 600 VDC, and ISWITCH is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A.

3. Arrangement according to claim 2, wherein the arrangement and the switches are rated according to one of the following standards:

(1) UL20, Standard for General-Use Snap Switches, 11th Edition, May 25, 1995;

(2) UL508, Standard for Industrial Control Equipment 16th Edition, September 20, 1994;

(3) UL1054, Standard for Special-Use Switches, 5th Edition, May 20, 1995;

(4) JIS C 4506-1979, Small Switches for Single Phase Motors;

(5) JIS C 4520-1984, General Rules for Control Switches [General Rules for Control Switches]

(6) JIS C 4610-1990, Circuit Breakers for Equipment

(7) IEC 204, Electric Equipment of Industrial Machines [Electrical equipment of industrial machines];

(8) IEC 337, 341, 1020, Switches, Push Button Type Switches; or

(9) IEC 1058, 328, 669, Switches, Appliances, Houshold and Similar Purposes.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the PTC device (2) comprises a PTC element consisting of a PTC-conductive polymer.

5. The assembly of claim 4, wherein the PTC conductive polymer has a resistivity at 21°C of less than n ohm-cm, where n is 5.

6. Arrangement according to claim 5, wherein the PTC device (2) has a resistance value of less than R ohms at 21ºC, where R is equal to 5.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, which has a voltage limiting device (8) which is connected in parallel with the PTC device (2).

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, wherein the operation of the second switch (6) also operates the first switch (4).

9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, wherein the operation of the second switch (6) also operates the first switch (4) after a delay time which is at most 100 ms.

10. Electrical switch arrangement according to one of claims 1 to 9, which has at least one of the following properties:

(A) the switches (4, 6) are connected to one another so that the first switch (4) can be operated at the same time as the second switch (6);

(B) the arrangement comprises means for actuating the first switch (4) at a predetermined time which is 10 to 100 ms after the actuation of the second switch (6), the predetermined time being determined by the characteristics of the PTC device (2) and the two switches;

(C) the second switch (6) is not actuated by an overcurrent through the arrangement;

(D) the second switch (6) can be operated manually ;

(E) the first switch (4), the second switch (6), the PTC device (2) and any other component of the switch arrangement each have a resistance value which changes by a factor of not more than 4 when the voltage changes from 10 to 600 V; and

(F) when the PTC device (2) is exposed to a current IPTC in a test circuit having an open circuit voltage VPTC, its resistance increases by a factor of at least 100 within a resistance rise time of not more than 30 ms, where IPTC and VPTC are one of the following:

(i) VPTC is 12 VAC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(ii) VPTC is 24 VAC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(iii) VPTC is 60 V AC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(iv) VPTC is 120 VAC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(v) VPTC is 250 V AC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(vi) VPTC is 600 V AC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(vii) VPTC is 12 V DC and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(viii) VPTC is 24 V DC and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(ix) VPTC is 60 V DC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(x) VPTC is 120 V DC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A,

(xi) VPTC is 250 V DC, and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A, and

(xii) VPTC is 600 V DC and IPTC is 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 or 60 A; or

(G) (i) when the first switch (4) is used by itself to interrupt a circuit operating at a predetermined direct current and voltage, causing an arc to be struck between two contacts of the first switch, a weight of material MSERIES is transferred from one contact to the other,

(ii) when the second switch (6) is used by itself to interrupt the same circuit, thereby causing the striking of an arc between two contacts of the second switch, a weight of material MPARALLEL is transferred from one contact to the other, and

(iii) MPARALLEL is at least p times MSERIES, where p is 1.5.

11. Electrical switch arrangement according to one of claims 1 to 10, wherein the resistance value rise time is at most 5 ms.

12. Electrical circuit (20) comprising:

(A) an electrical power supply (12) having a voltage VSWITCH;

(B) an electrical load (14); and

(C) an electrical switch arrangement (10) according to one of claims 1 to 10.

13. Electrical circuit according to claim 12, for which at least one of the following conditions applies:

(i) j is 0.5;

(ii) s is 0.5; and

(iii) m is 0.25 and the resistance rise time is maximum 8 ms.

14. A method for interrupting a current ICIRCUIT flowing in an electrical circuit, the electrical circuit comprising:

(A) an electrical power supply (12) having a voltage VCIRCUIT;

(B) an electrical load (14) having a resistance value RLOAD; and

(C) an electrical switch arrangement (10) according to one of claims 1 to 11;

the method comprising the following steps:

(i) Operating the second switch (6) and

(ii) 0 to 100 ms after step (i) actuation of the first switch (4).